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Luft
Wind bewegt.
Luft – so sagt das Lexikon – ist das Gasgemisch, welches die Erde umgibt. Setzt sich dieses Gemisch in Bewegung, was es permanent durch Erdrotation und Sonneneinstrahlung tut, dann sprechen wir von Luftmassenbewegung oder ganz einfach von Wind. Dieser Wind ist wichtig, denn ohne Wind kein Transport von Wärme, Feuchtigkeit oder Energie.
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Wind - die Sonne als Motor
Wind entsteht in erster Linie durch die Kraft der Sonne. Die Luft wird durch die senkrechte Sonneneinstrahlung am Äquator besonders stark aufgeheizt. An den Polkappen hingegen wird sie kaum erwärmt, denn hier fallen die Sonnenstrahlen ganz flach ein.
Die warme Luft steigt nach oben und strömt in Richtung der Pole. Ist die Luft erkaltet, dann sinkt sie wieder nach unten, wo sie von der warmen Luft, die am Äquator nach oben steigt, wie ein Staubsauger angesaugt wird.
Noch ein Faktor spielt bei dieser Luftbewegung eine Rolle und ist auch der Grund, warum die Äquatorluft nie an den Polen ankommt. Es ist die Erdrotation: Durch sie wird die Luftmasse auf der Nordhalbkugel nach rechts, auf der Südhalbkugel nach links abgelenkt.
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Luftdruck, Hochs, Tiefs und Thermik
Der Wind und seine Richtung hängen nicht nur von der Erdrotation ab, wie bei den Monsun- oder Passat-Winden, sondern auch vom Luftdruck und der Reibung an der Erdoberfläche. Der Luftdruck ist jener Druck, der durch die Gravitation der Erde in der Atmosphäre entsteht. Temperatur und Höhe verändern den Luftdruck.
Ein Tief ist ein Gebiet mit tiefem Luftdruck – ein Hoch eines mit hohem. In Bodennähe bewirkt die Reibung des Windes an der Erdoberfläche, dass der Wind stets aus einem Hochdruckgebiet heraus in ein Tiefdruckgebiet weht. Durch den Einfluss der Erddrehung strömt der Wind deshalb auf der Nordhalbkugel im Uhrzeigersinn um ein Hoch, um ein Tief gegen den Uhrzeigersinn. Und umgekehrt auf der Südhalbkugel.
Der lokale Wind und seine Stärke, sein Winkel und seine Richtung sind darüber hinaus von der Beschaffenheit der Landschaft (zum Beispiel Meer oder Berge) und von der Thermik bestimmt. Unter Thermik versteht man aufwärts gerichtete Luftströmungen, die durch starke Erwärmung des Bodens infolge kräftiger Sonneneinstrahlung ausgelöst werden. Die aufsteigenden Luftmassen kühlen sich dabei durch Ausdehnung ab.
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Vom Zug zum Orkan – die Windstärken
Die Windstärke wird weltweit in eine 17-stufige Skala – die so genannte Beaufort-Skala – eingeteilt. Sir Francis Beaufort hat sie 1806 (damals noch 12-stufig) als Chef des königlich-britischen Seevermessungsdienstes eingeführt. Die Messung der Windgeschwindigkeit erfolgt für diese Klassifizierung in einer Höhe von zehn Metern.
Ein Blick auf die Windgeschwindigkeiten macht klar, warum der Wind mit seiner ungeheuren Energie ganze Landschaften durch Abtragung (Winderosion) gestalten beziehungsweise zerstören kann.
Windstärken
Stärke Bezeichnung Auswirkungen Geschwindigkeit (m/s) 0 Windstille Rauch steigt gerade empor 0,0 - 0,2 1 leiser Zug Rauch zeigt durch seinen Zug die Windrichtung 0,3 - 1,5 2 leichte Brise Wind ist auf der Haut fühlbar, Blätter rascheln 1,6 - 3,3 3 schwache Brise dünne Zweige oder Fähnchen bewegen sich im Wind 3,4 - 5,4 4 mäßige Brise loses Papier oder Laub fliegt, dünne Äste werden bewegt 5,5 - 7,9 5 frische Brise kleine Bäumchen beginnen zu schwanken, auf Meereswellen kleine Schaumkronen 8,0 - 10,7 6 starker Wind starke Äste in Bewegung, Regenschirmbenutzung schwierig 10,8 - 13,8 7 steifer Wind Bäume schwanken, fühlbarer Widerstand beim Gehen 13,9 - 17,1 8 stürmischer Wind Zweige werden abgebrochen, erschwertes Gehen 17,2 - 20,7 9 Sturm kleine Schäden an Häusern können entstehen, Dachziegel können "heruntergeweht" werden 20,8 - 24,4 10 schwerer Sturm Bäume werden entwurzelt, schwerere Schäden an Gebäuden 24,5 - 28,4 11 orkanartiger Sturm verbreitet Sturmschäden 28,5 - 32,6 12 -17 Orkan schwerste Verwüstungen 32,7 - 56,0
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Geballte Energie – Wirbelstürme
Wirbelstürme entstehen ab 27 Grad Celsius Wassertemperatur, denn dann verdampft eine riesige Menge Wasser. Diese enorme Menge an feuchten und warmen Luftmassen steigt nach oben und erzeugt damit eine extrem hohe Saugwirkung. Von außen wird immer mehr Luft angesaugt. In der Mitte dieses Sogs fallen hingegen kühle Luftmassen herab: Das ist das Auge des Wirbelsturms, in dem fast Windstille herrscht. Die Drehbewegung kommt durch die Windrichtung und die Erdrotation zustande.
Wirbelstürme tragen übrigens auf der ganzen Welt unterschiedliche Bezeichnungen, auch wenn es sich um dasselbe Wetterphänomen handelt: In Amerika nennt man sie Hurrikan, in China Taifun und in Indien Zyklon.
Tornados sind eine besondere Form von Wirbelstürmen in Nordamerika, die in Verbindung mit Gewittern entstehen. Sie bewegen sich mit einem Durchmesser von einigen Hundert Metern wie eine Walze mit unglaublicher Energie übers Land. Bevorzugt entstehen sie an Kaltfronten, an denen trockene mit feuchtwarmer Luft zusammenstößt und sich vermischt. Dabei entstehen außerordentlich große Unterschiede von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf engstem Raum. Der dadurch ausgelöste extreme Druckabfall verursacht Windgeschwindigkeiten von mehreren Hundert Kilometern pro Stunde. Die angerichteten Verwüstungen lassen vermuten, dass in Extremfällen im Tornado Windgeschwindigkeiten bis 1.000 Kilometer pro Stunde auftreten können.
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Gewitter – geladene Luft
Gewitterwolken mit Blitz und Donner entstehen dann, wenn innerhalb einer Wolke eine starke Aufwärtsströmung herrscht. Dabei können Aufwinde mit Geschwindigkeiten von knapp über 30 Metern pro Sekunde (entspricht über 100 Stundenkilometer) auftreten.
Ideale Voraussetzungen für solch starken Vertikalbewegungen der Luft gibt es in unseren Breiten vor allem im Sommer, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist sowie der Boden und die bodennahe Luft stark aufgewärmt sind.
Bei diesen Bedingungen steigen feuchtwarme Luftmassen in Bereiche mit kalter Luft auf und die enthaltene Feuchtigkeit kondensiert zu kleinen Wassertröpfchen - eine Wolke entsteht. Bei der Bildung der Tröpfchen (beziehungsweise Eiskristalle) wird Wärme frei, die die Wolke noch weiter in die Höhe wachsen lässt.
Blitze - gewaltige Funkenentladungen
Blitze entstehen durch Ladungsunterschiede innerhalb von Gewitterwolken. Die starke Aufwärtsströmung der Luft und die damit verbundene Reibung laden die Wassertropfen und Eiskristalle je nach Größe unterschiedlich elektrisch auf: Die größeren Teilchen werden negativ, die kleineren positiv.
Da die kleineren Partikel mit dem Luftstrom an das obere Ende der Wolke transportiert werden, entsteht eine Ladungsdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Bereich. Dadurch baut sich zwischen den beiden unterschiedlich geladenen Teilen der Wolke eine starke Spannung auf - genauso zwischen dem unteren, negativ geladenen Wolkenteil und der Erdoberfläche. Der Grund für den Spannungsaufbau: Ladungsungleichgewichte streben immer nach einem Ausgleich.
Erreicht diese Spannung (bis zu zehn Millionen Volt) einen kritischen Wert, die sogenannte Durchbruchsfeldstärke, entlädt sich die Spannung in einem Blitz. Die Energie, die bei einer Entladung entsteht, wird auf einige Hundert Kilowattstunden geschätzt.
Blitze haben eine Stromstärke von 10.000 bis zu 30.000 Ampere und heizen damit die Luft auf bis zu 30.000 Grad Celsius auf. Diese enorme Erhitzung bei der Entladung eines Blitzes dehnt die Luft explosionsartig aus. Eine Druckwelle entsteht, die sich als Schall fortpflanzt: Donner ist als Folge zu hören.
Nicht alle Blitze sind sichtbar
Meist springen Blitze von Wolke zu Wolke und sind von der Erde aus kaum zu sehen. Entlädt sich eine Wolke in Richtung Erde, entstehen für das bloße Auge sichtbare Blitze, die sich mit einer Geschwindigkeit von 10.000 Kilometern pro Sekunde bewegen.
Blitze können wir übrigens deshalb wahrnehmen, weil bei den Gasmolekülen der Luft – angeregt durch die Blitzentladung – kurz ein Elektron aus der Atomhülle gestoßen wird. Kehrt es in seine alte Bahn zurück, wird die vorher aufgenommene Energie in Form von elektromagnetischen Wellen wieder abgegeben. Wenn diese Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts liegen, so sehen wir diese Entladungen als Blitz.